Chipgehäuse Isolation spart Kosten

Netzteilherstellern ist in ihrem äußerst wettbewerbs-intensiven Markt jede Möglichkeit zur Kostensenkung höchst willkommen. Ein wesentlicher Kostenfaktor ist die recht aufwendige Montage der Leistungshalbleiter auf einem Kühlkörper, denn dabei muss meist noch eine Isolierfolie eingebracht werden, um die Chips vom Kühlkörper elektrisch zu isolieren. Mit dem richtigen Gehäuse geht das schneller und damit kostengünstiger.

Von Cyril Borchard, Product Marketing bei STMicroelectronics

TO-220 und DO-220 heißen sehr populäre Gehäusebauformen für elektronische Leistungsbauelemente, zu denen beispielsweise Dioden für den Einsatz in Schaltnetzteilen gehören. Der geringe thermische Widerstand dieser Gehäuse gewährleistet die korrekte Ableitung der vom Die erzeugten Wärme. Gehäuse dieser Bauform sind speziell für die Befestigung an einem Kühlkörper ausgelegt, wodurch sich die thermischen Eigenschaften noch weiter verbessern lassen. Ein Nachteil dieser Gehäuse ist die fehlende elektrische Isolation: Der Die ist nämlich direkt mit der Metallstruktur (Lead Frame) an der Rückseite der Gehäuse verbunden (Bild 1). Handelt es sich um eine Diode, besteht also eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der Katode (also der Rückseite des Die) und dem Metallrahmen.

Aus Sicherheitsgründen müssen die in Netzteilen verwendeten Kühlkörper mit der Masse verbunden werden. So wird verhindert, dass die Person, die an der Leiterplatte arbeitet, einer hohen elektrischen Spannung ausgesetzt ist. Handelt es sich beispielsweise um eine PFC-Schaltung (Power Factor Corrector), wird die Katode der Boost-Diode mit dem (meist auf 400 V eingestellten) Gleichspannungsausgang der PFC-Schaltung verbunden. Besitzt die Diode ein DO-220-Gehäuse und ist die Verwendung eines Kühlkörpers erforderlich, müssen Kühlkörper und Gehäuse voneinander isoliert werden.

Will man ein Halbleitergehäuse vom zugehörigen Kühlkörper isolieren, fügt man in der Regel eine isolierende Folie zwischen Kühlkörper und Bauelement ein und versieht die Befestigungsschraube zusätzlich mit einer isolierenden Hülse (Bild 2, rechts). Diese Folien besitzen gute dielektrische Eigenschaften, erfordern allerdings einige Fingerfertigkeit bei der Montage, denn sie brechen oder reißen leicht und gewährleisten dann keine einwandfreie Isolation mehr. Sie können außerdem vom Kühlkörper rutschen und neigen dazu, sich beim Festziehen der Schraube mitzudrehen.

Viele Netzteilhersteller beklagen sich deshalb über den Zeitverlust und die Zuverlässigkeitseinbußen, die in ihrer Produktion wegen der genannten Phänomene entstehen. Schätzungen zufolge verursacht das Anbringen einer Glimmerfolie pro Bauelement einen zusätzlichen Zeitaufwand von zehn bis zwanzig Sekunden. Abgesehen davon beeinflusst der Wärmewiderstand der Folie die thermischen Eigenschaften des Systems merklich (Tabelle 1). Deshalb werden Leistungsbausteine in vollständig vergossenen Gehäusen des Typs TO-220FP (Full Pack) verbreitet eingesetzt. Doch der noch ungünstigere Wärmewiderstand dieser Gehäusebauart behindert die Entwärmung und beeinträchtigt damit die Stromtragfähigkeit des betreffenden Bauelements (Tabelle 1).

normales DO-220 mit Glimmerfolie isoliertes Full-Pack isoliertes DO-220I-Gehäuse 
3,7 K/W 4,3 K/W 3,0 K/W 
Tabelle 1: Wärmewiderstand Rth(JC) einer 650-V-SiC-Diode mit 4 A Nennstrom bei verschiedenen DO-220-Gehäusen